Энергоэффективность насоса это

КАНАТНЫЕ ШТАНГИ

Еще одним решением в области СШНУ, которое может привести к снижению нагрузок и снижению энергопотребления, может служить применение канатных штанг (см. «Использование канатных штанг»). В конце 1980-х годов были созданы такие системы, они прошли межведомственные испытания и были приняты Министерством нефтяной промышленности в 1991 году к серийному производству. Министерство выделило деньги на приобретение канатовьющих машин в Германии и для оснащения этими канатовьющими машинами Харцызского сталепроволочно-канатного завода. Однако, после распада СССР об этой системе на многие годы забыли, но недавно оказалось, что не все. За рубежом об этой системе помнили, и сегодня, например, в Норвегии даже на морских промыслах используются канатные штанги точно такой же конструкции.

Наружный диаметр канатов — 20 мм, разрывное усилие — 46-48 тонн, удлинение по сравнению с обычной штангой больше всего на 15%. Преимущества — отсутствие муфт и налипания парафина, невозможность протирания колонны НКТ и самих канатных штанг, меньшая масса, меньшие инерционные и вибрационные нагрузки, меньшие силы трения штанг о колонну НКТ и о вязкую жидкость. Кроме того, использование канатных штанг обеспечивает ускорение ПРС и уменьшения затрат энергии (см. «Преимущества канатных штанг»).

Штанговый винтовой насос с поверхностным приводом

РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ

Очень многие оборудованные ЭЦН скважины к настоящему моменту оснащены системами частотного преобразования (ПЧ). Это дает возможность увеличить напор при увеличении частоты вращения, увеличить подачу такого насоса, но есть и ограничения. Во-первых, это ограничение по мощности. В достаточно широком пределе частот вращения мощность ПЭД линейно зависит от частоты вращения вала, а мощность центробежного насоса, подсоединенного к этому двигателю, является функцией в кубической степени.

Асинхронные двигатели при малой загрузке имеют очень низкий коэффициент мощности, то есть cosφ. Пока нефтяники, да и многие другие, еще не платят за реактивную мощность, но, видимо, так будет продолжаться недолго. Скорее всего, в ближайшее время будет принято решение о том, что придется платить за установочную мощность, а не только за активную мощность. А в этом случае недогрузка двигателя будет приводить к большим денежным затратам.

Вообще все потери в центробежных насосах можно подразделить на несколько основных типов. Это, в первую очередь, механические потери, потери в подшипниках, потери гидравлические, потери гидродинамического торможения, которые уменьшают КПД в левой части характеристики, и дисковые потери. Дисковые потери зависят от частоты вращения в пятой степени, зависят от диаметра самого рабочего колеса, и от вязкости жидкости. Увеличение частоты вращения приводит к тому, что дисковые потери резко возрастают. И поэтому, если при одной и той же перекачиваемой жидкости мы увеличим в два раза скорость вращения, то у нас КПД ступени, а соответственно, и насоса, будет падать примерно на 10-15%.

Именно поэтому обычно, когда изображают характеристики насоса при разных частотах, рисуют только напорную характеристику, а КПД обычно никогда не изображают, чтобы не пугать. Это тоже нужно обязательно иметь в виду. Особенно это важно при откачивании такими насосами жидкости повышенной вязкости.

Лопастные насосы с колесами открытого типа

ИСПОЛНЕНИЕ ЭЦН

Для разных условий эксплуатации сегодня предлагается большое количество разных вариантов изготовления рабочих колес, направляющих аппаратов, опорных шайб, опор самих направляющих аппаратов. Могут использоваться промежуточные подшипники, пакетная сборка и т.д. При этом, например, увеличение количества промежуточных подшипников приводит к уменьшению числа рабочих степеней в каждой секции, а, во-вторых, к увеличению сил трения и соответствующему понижению энергоэффективности.

То же самое можно сказать и о применении пакетной сборки там, где в этом нет необходимости. Пакетная сборка будет отличаться более высоким потреблением электроэнергии при всех прочих равных условиях, чем обычная классическая система.

ВЕНТИЛЬНЫЕ ПРИВОДЫ И ВИНТОВЫЕ НАСОСЫ

Отдельным направлением повышения эффективности механизированной добычи стало использование вентильных двигателей, которые обеспечивают возможность регулирования добычных возможностей, отслеживание режимов работы УЭЦН, отличаются высоким КПД (до 93%), малым перегревом, низкими токами и малой зависимостью крутящего момента от частоты вращения. Еще одна интересная разработка — перспективная система винтового насоса для эксплуатации малои среднедебитного фонда скважин (см. «Энергоэффективная эксплуатация малои среднедебитных скважин: одновинтовой сдвоенный насос»). Эта система обеспечивает при дебитах до 80 м3/сут. в два раза более высокий КПД, чем установки центробежных насосов.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКВАЖИН ПО СПОСОБАМ ЭКСПЛУАТАЦИИ

В настоящее время продолжает расти количество скважин, эксплуатируемых погружными центробежными насосами с электроприводом (ЭЦН). Начиная 1990-го года увеличение фонда УЭЦН происходит за счет сокращения числа скважин, оборудованных штанговыми насосными установками. В то же самое время почти не растет число так называемых «прочих» скважин, эксплуатируемых в первую очередь винтовыми насосными установками как с погружным двигателем, так и с поверхностным приводом.

Такая распространенность УЭЦН связана, в основном, с тем, что это очень гибкий инструмент для нефтяников. Фактически ничего не переделывая на устье скважины, можно менять установки так, как нам захочется, после каких бы то ни было ГТМ, ГРП и т.д. Со штанговыми насосами, естественно, такое невозможно.

Прогнозируемое распределение добычи нефтипо способам в РФ

Между тем, прогноз на обозримое будущее раскрывает перед нами иную картину (см. «Прогнозируемое распределение добычи нефти по способам в РФ»). В прошлом году 71% объема добычи нефти в нашей стране был обеспечен УЭЦН. Но уже в ближайшее время, насколько можно судить сегодня, доля центробежных насосов в добыче будет значительно снижена. В первую очередь это связано с тем, что на тех месторождениях, где сегодня используются УЭЦН, резко увеличивается обводненность и снижается пластовое давление.

В то же время на вводимых сегодня в разработку месторождениях центробежные насосы зачастую не могут применяться в силу высокой вязкости нефти. И в будущем, с началом активной разработки шельфа, эта тенденция будет только набирать силу. К 2020 году доля нефти, которая будет добываться малораспространенными сегодня видами оборудования, и в первую очередь винтовыми насосными установками, может достичь 10%. Также должна возрасти и доля нефти, добываемой с помощью фонтанных и газлифтных установок. В данном случае речь также прежде всего идет о месторождениях на шельфе с пока еще высокими пластовыми давлениями.

С другой стороны, расти будут абсолютные цифры добычи жидкости каждым видом оборудования. И поскольку будет добываться намного больше воды, а нефти будет меньше, вопросы энергосбережения и энергоэффективности оборудования для механизированной добычи станут одними из самых важных.

Режимы эксплуатации УЭЦН

Характеристики ступеней и УЭЦН различных типоразмеров

Энергоэффективные УЭЦН «Новомет»

PowerSave ESP сочетают в себе запатентованную конструкцию ступени насоса, высокоточные компоненты, изготовленные с использованием порошковой металлургии или литья, и передовые технологии погружного вентильного привода для снижения энергопотребления при добыче на 25-30%.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Одна из интересных выпускаемых сегодня систем для СШНУ — система с гидравлическим приводом (см. «Гидропривод с использованием НКТ в качестве уравновешивающего груза»). Однако при всех преимуществах по энергоэффективности и прочим факторам, гидропривод сегодня имеет ряд недостатков. Это утечки рабочей жидкости, низкая надежность уплотняющих элементов и насоса гидропривода, необходимость регулярного контроля обслуживающим персоналом и, в целом, сложная и дорогостоящая конструкция.

СИСТЕМЫ ППД

Для многих добычных систем КПД, конечно, важен, но может и не являться самым главным фактором. Наработка на отказ иногда обеспечивает возможность работы тех или других систем даже при низком КПД с минимально возможными эксплуатационными затратами. Совершенно по-иному дело обстоит в системах ППД.

Применение старых испытанных систем типа ЦНС говорит о том, что здесь есть очень большой резерв повышения энергоэффективности. В частности, только повышение гладкости поверхности рабочих колес направляющих аппаратов, которые используются в этих системах, позволяет повысить коэффициент полезного действия на 3-8%. При мощности приводного двигателя в 1000-1500 кВт эти проценты складываются в очень и очень приличную сумму. Поскольку работает таких систем очень много, то общий эффект может быть очень значительным.

Так, например, шероховатость поверхности в 60 мкм может быть обеспечена нанесением покрытия на литье. В то же время уже через 2-3 месяца после начала эксплуатации незащищенные поверхности обретают шероховатость на уровне 360 мкм.

Существуют стандартные камеры для нанесения порошка, который, расплавляясь на поверхности детали, обеспечивает необходимую чистоту поверхности и защиту от коррозии и эрозии. Затраты мощности на этих системах очень незначительные.

Кроме того, можно использовать изначально рабочие колеса из полимерных материалов с чистотой поверхности 30-60 микрон.

Конечно, необходимо говорить и о том, что могут для ППД использоваться и другие варианты насосов, имеющих более высокие энергетические характеристики (повышенные КПД) или совершенно иные системы распределения потоков воды (индивидуальные насосные установки вместо кустовых), в которых снижаются непроизводственные потери энергии.

Полный текст

Рассматривается способ повышения энергоэффективности центробежного насоса, основанный на использовании лопастной системы с переменным шагом, обеспечивающей интегральное повышение КПД насоса в рабочей зоне. Отмечаются режимы работы насоса и условия его эксплуатации, в которых данный способ модернизации дает максимально положительный результат. Приводятся экспериментальные данные, подтверждающие эффективность использования данного способа.

Ключевые слова

1. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции. – М.: Стройиздат, 1986. – 320 с.

2. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. – М.: Машиностроение, 1966. – 363 с.

3. Волков А.В., Моргунов Г.М., Фролов В.В. Определение основных геометрических размеров рабочих колес гидромашин на начальном этапе проектирования.// Тр. Моск. энергетич.ин-та. 1988.№170.с. 12-18.

4. Моргунов Г.М., Горбань В.М., Панкратов С.Н., Волков А.В. Численное решение прямой трехмерной гидродинамической задачи исследования и проектирования лопастных систем гидромашин // Учебное пособие, Изд. МЭИ, 2001.

5. Волков А.В., Хованов Г.П., Жарковский А.А., Пугачев П.В., Парыгин А.Г. Расчетно-теоретические исследования насосов с малым коэффициентом быстроходности // Электронный журнал «Новое в российской электроэнергетике», 2010, №2.с. 36-44.

Рецензия

Волков А.В., Давыдов А.И., Хованов Г.П., Парыгин А.Г. Повышение энергоэффективности центробежного насоса путем использования лопастной системы с переменным шагом. Надежность и безопасность энергетики. 2011;(3(14)):53-56.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТАНОВОК РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

Существует схема областей применения скважинных насосных установок разного типа в соответствии с их техническими параметрами (см. «Области применения механизированных способов добычи нефти (технические возможности)»). Если же подходить к этому вопросу с точки зрения энергоэффективности или экономики, то картина будет значительно отличаться. Конечно, очень неплохо было использовать, например, установки диафрагменных насосов для малодебитных скважин, но экономика по надежности этого вида оборудования намного проигрывает другим видам оборудования, в частности, штанговым насосным установкам.

На сегодняшний день есть технологии, которые позволяют штанговым винтовым насосным установкам работать в очень широких пределах и с высоким КПД при достаточно низком уровне затрат на подъем жидкости. Есть и еще и разработки, которые в ближайшее время, надеюсь, тоже появятся — это так называемые высокотемпературные насосы, которые позволят работать уже при больших глубинах подвески этих насосов и даже при условиях термовоздействия на пласт, что тоже позволит расширить области применения такого вида оборудования. При этом особый интерес сегодня представляют установки винтовых насосов с погружным двигателем, и прежде всего вентильным двигателем.

ОТКРЫТЫЕ КОЛЕСА

Одно из удачных технических решений, позволяющих снять многие из обозначенных выше проблем, — колеса открытого типа (см. «Лопастные насосы с колесами открытого типа»). У открытых колес нет диска, в связи с чем практически сходят на нет осевые нагрузки на рабочее колесо и, следовательно, увеличение частоты вращения не будет приводить к увеличению нагрузки на торцовые системы подшипников скольжения. Малая масса колес тоже уменьшает потребности в электроэнергии, особенно при запуске, и упрощает их балансировку.

Замена только одного лопаточного аппарата или импеллера таких насосов позволяет изменять характеристики насоса в том направлении, которое нам необходимо. При освоении скважины после ГРП можно снизить КПД насоса, но исключить при этом его забивание мехпримесями. После очистки скважины можно, наоборот, уменьшить напорные характеристики, повысив КПД, и долговременно эксплуатировать это оборудование скважины с максимальным экономическим и энергетическим эффектом.

ПОКРЫТИЯ

Сегодня проводится большое количество испытаний новых видов материалов, которые уменьшают коэффициенты трения и увеличивают наработку на отказ. Ведь когда мы говорим об энергоэффективности, нельзя отрывать процесс добычи нефти от процесса подземного ремонта. Мы знаем, каких затрат и в энергетике, и в стоимостном выражении требует каждый ПРС. Новые материалы должны снижать энергопотребление даже при эксплуатации ГНО, а уж тем более в совокупности по эксплуатации и ПРС.

Энергоэффективная эксплуатация мало- и среднедебитных скважин: одновинтовой сдвоенный насос

Современные покрытия рабочих колес ЭЦН во многих случаях позволяют отказаться даже от химии для защиты от солей и коррозии. Но самое главное с точки зрения энергопотребления — это невозможность отложения солей и механических примесей на этих поверхностях, что увеличивает КПД.

ШВН С ПОВЕРХНОСТНЫМ ПРИВОДОМ

Сегодня существует возможность использовать ШВН с поверхностным приводом не только в вертикальных, не только в наклонных скважинах, как это делается в Канаде и в Венесуэле, но и в скважинах с большим темпом набора кривизны (см. «Штанговый винтовой насос с поверхностным приводом»). Преимущество таких установок состоит в высоком КПД. При небольших дебитах (до 100 м3/сут.) КПД этих установок намного выше, чем КПД УЭЦН и СШНУ, поскольку отсутствуют клапанные узлы, отсутствует вредное мертвое пространство и т.д. Отсутствуют системы уравновешивания, потому что идет постоянное вращение приводного вала, которым являются штанги, и соответственно, уравновешивать здесь ничего не надо.

В данном случае отсутствует проблема центровки приводной системы, но иногда появляется проблема раскачивания устья скважины. Систему необходимо укреплять.

И, наконец, последнее преимущество ШВН с поверхностным приводом заключается в простоте изменения подачи практически без изменения напора.

ГАБАРИТЫ ЭЦН

Еще одно направление повышения энергоэффективности сегодня заключается в применении ЭЦН увеличенных габаритов. Еще несколько лет назад производители насосного оборудования начали вплотную заниматься разработкой ЭЦН повышенных диаметральных габаритов, и притом для малых дебитов. Сегодня в габарите 5А выпускаются насосы даже на

30 м3/сутки. Переход на габарит 5А в скважинах диаметром 146 мм увеличивает подачу ЭЦН на 40% и напор на 15-25%. Для 6-го габарита подача увеличивается на 90%, а напор — на 40-52%). Одновременно на 3-10% увеличивается КПД ступени. Это обеспечивает улучшение работы всех видов оборудования, и в частности снижение затрат электроэнергии на подъем единицы жидкости.

Сложная ситуация складывается с эксплуатацией боковых стволов, в которых диаметр обсадных колонн иногда не превышает 102 мм. Это 3-й условный габарит. Работать при 3000 оборотах с этим оборудованием невозможно. Напор «родной» ступени составляет от 1 до 2,5 метров. И таких ступеней для желаемого напора придется использовать 1-1,5 тысячи. Кроме того, места для размещения опоры в каждом рабочем колесе, в каждом направляющем аппарате настолько мало, что контактные напряжения в опорах будут очень большими. А если мы говорим о том, что нужно работать при больших частотах вращения, то в этом случае износ будет повышаться кратно. Например, при увеличении в два раза частоты вращения напор будет увеличен в четыре раза, скорость скольжения будет увеличена в два раза. Соответственно, перемножение этих двух параметров дает 8 единиц. То есть в 8 раз быстрее будет происходить износ всех подшипниковых узлов.

Кроме того, КПД таких ступеней, к сожалению, в этом габарите невозможно поднять выше 35%. И поэтому такая установка будет иметь общий КПД на уровне 8-15%. Только если ничего другого нельзя будет установить в боковом стволе скважины, придется использовать такие установки.

Повышение энергоэффективности центробежного насоса путем использования лопастной системы с переменным шагом

Потеря 61% электроэнергии, которую вы оплачиваете, недопустима. Новомет активно работает над двумя наиболее энергозатратными компонентами в составе ЭЦН — насосом и двигателем — для того, чтобы повысить эффективность установки.

Мы начали с разработки энергоэффективного высокооборотного насоса, который работал бы на более высоких оборотах. Технология порошковой металлургии позволяет нам производить детали с уровнем точности, который невозможно обеспечить, используя технологию литья в песчаных формах. Это позволило нам модернизировать насос путем использования новых геометрических параметров и сократить общую длину насоса до одной трети от его предыдущего размера, сохранив при этом его производительность. Усовершенствованная геометрия ступени насоса и модернизация материалов в сочетании с укороченной длиной насоса значительно сокращают затраты на тепло и электроэнергию.

Следующим шагом стали изменения в двигателе. Работа асинхронного двигателя, как и любой другой машины, сопровождается потерями: механическими и электромагнитными. Потери в конечном итоге, приводят к нагреву двигателя и снижению его КПД. Мы разработали вентильный двигатель, в котором устранено проскальзывание ротора и значительно снижены потери. В роторе используются магниты из редкоземельного сплава, где чередуются отрицательный и положительный магнитные полюсы, чтобы обеспечить момент, необходимый для вращения ротора. Пластины статора изготовлены из специального материала, который еще больше снижает потери. Как и в случае с насосом, энергоэффективные вентильные двигатели короче и легче асинхронных двигателей.

Высокооборотный насос и вентильный двигатель в совокупности снижают энергопотребление ЭЦН на 25–30% и сокращают общую длину установки на 60%.

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ УЭЦН

Энергоэффективность УЭЦН зависит от многих параметров (см. «Зависимость энергоэффективности УЭЦН от условий работы»). Например, чем больше глубина подвески насоса, тем больше будет снижаться энергоэффективность. И тому есть несколько причин. Во-первых, увеличиваются потери в кабельной линии, во-вторых, увеличиваются потери в НКТ.

Существенно ухудшаются энергетические показатели работы ступеней ЭЦН с повышением газового фактора, даже если мы применяем предвключенные устройства разного типа.

Снижается энергоэффективность также и при заглублении динамического уровня — при уменьшении забойного давления, в том числе, при сложных профилях скважин и в скважинах с большим отходом от вертикали. В данном случае, во-первых, опять же увеличивается длина подвески, а кроме того, возникающее в рабочих колесах усилие увеличивает силы трения в опорах, и установка начинает потреблять больше мощности.

Как мы знаем, чем выше содержание механических примесей, тем быстрее выходит из строя насос, но это не единственный отрицательный результат. Наличие механических примесей увеличивает коэффициенты трения во всех парах сопряжения трения, и соответственно, увеличивает затраты электроэнергии при работе такого вида оборудования.

И наконец температура. Повышение температуры приводит к тому, что увеличивается сопротивление кабельной линии, ухудшается смазка всех трущихся деталей, соответственно, затраты электроэнергии на подъем жидкости будут увеличиваться.

Высокая температура не только повреждает изоляцию кабеля, но и значительно снижает проводимость жил. И поэтому сегодня особенно важна работа по замене старых видов изоляции на более термостойкие. По данным некоторых экспериментов, на 1000 м стандартной кабельной линии даже при невысоких температурах мы можем потерять от 9 до 25 кВт, в зависимости от рабочих токов. В реальных условиях снижение напряжения может быть таким большим, что будет просто невозможно обеспечить нормальный запуск двигателя.

Энергоэффективная эксплуатация насосного оборудования

Водоснабжение и водоотведение относится к отраслям промышленности с интенсивным использованием насосного оборудования, доля электроэнергии потребляемой насосами составляет более 50% от общего энергопотребления. Поэтому вопрос снижения затрат на электроэнергию для водоснабжающих организаций заключается, прежде всего, в эффективном использовании насосного оборудования.

Большая работа в данном направлении проводится компанией ОАО «Группа ГМС» — холдингом, объединяющим ведущих производителей насосного оборудования в России и СНГ. На настоящий момент в структуру компании входят 16 предприятий с общей численностью персонала более 12 000 человек. Среди них широко известные ОАО «Ливнынасос», ОАО «Ливгидромаш», ОАО «Насосэнергомаш», ОАО «Бавленский завод «Электродвигатель», ОАО «Завод «Промбурвод» и другие предприятия.

В среднем к.п.д. насосных станций составляет 10-40 %. Несмотря на то, что к.п.д. наиболее часто применяемых на их насосов, составляет от 60% для насосов типа К и КМ и более 75% для насосов типа Д.

Главные причины неэффективного использования насосного оборудования следующие:

1. Переразмеривание насосов, т.е. установка насосов с параметрами подачи и напора большими, чем требуется для обеспечения работы насосной системы.

2. Регулирование режима работы насоса при помощи задвижек.

Основные причины, которые приводят к переразмериванию насосов следующие:

1. На стадии проектирования закладывается насосное оборудование с запасом, на случай непредвиденных пиковых нагрузок или с учетом перспективного развития микрорайона, производства и т.д. Нередки случаи, когда подобный коэффициент запаса может достигать 50%.

2. Изменение параметров сети — отступления от проектной документации при строительстве, коррозия труб во время эксплуатации, замена участков трубопроводов при ремонте и т.п. Изменение объемов водопотребления в связи с ростом или сокращениемчисленности населения, изменением количества промышленных предприятий и т. д.

Все эти факторы приводят к тому, что параметры насосов, установленных на насосных станциях, не соответствуют требованиям системы. Для обеспечения требуемых параметров насосной станции по подаче, напору в системе эксплуатирующие организации прибегают к регулированиюпотока при помощи задвижек, что приводит к значительному увеличению потребляемой мощности как из-за работы насоса в зоне низкого к.п.д., так и за счет потерь при дросселировании.

Достаточно часто потребитель низкую энергетическую эффективность системы «насос-сеть» ошибочно относит на счет низкого к.п.д. насоса, а поскольку на объектах водоснабжения эксплуатируются, в основном насосы российского производства, то формируется мнение о ненадежности и низкой эффективности отечественного насосного оборудования. Помимо низкого к.п.д., работа насосов за пределами рабочего диапазона значительно сокращает срок их службы и надежность.

При замене насосного оборудования одной из главных целей является снижение энергопотребления.

Обосновывая применение зарубежного оборудования, представители иностранных компаний в качестве исходных данных для проведения сравнительного анализа берут значения энергопотребления насосов при реальных условиях эксплуатации и сравнивают их с данными каталогов зарубежных производителей. Результатом такого анализа становится вывод о, якобы, быстрой окупаемости зарубежного оборудования, которое по стоимости превышает стоимость отечественного в несколько раз, в течение одного-двух лет. Основной причиной значительного сокращения энергопотребления при замене одних насосов на другие является не техническое превосходство вновь установленных насосов, а соответствие их параметров требованиям системы.

Это достигается правильным подбором насоса в соответствии с реальными характеристиками системы. Поэтому сведения, которые появляются в открытых источниках, рекламных материалах о том, что замена насосов российского производства на насосы зарубежного производства приводит к снижению энергопотребления на

являются некорректными. В тех системах водоснабжения, где параметры сети меняются во времени в зависимости от изменения суточного или сезонного водопотребления подобрать насос, для которого диапазон изменения параметров сети находился бы в пределах рабочего диапазона насоса, бывает невозможно. В этом случае значительную экономию может принести применение систем управления насосной станцией в зависимости от меняющихся параметров сети. В подобных системах регулирование параметров насосов осуществляется при помощи частотного и каскадного регулирования.

По данным Гидравлического института США и Европейской ассоциации производителей насосов основные мероприятия, которые приводят к снижению энергопотребления и его размеры приведены в таблице.

Методы снижения энергопотребления в насосных системах
Размер снижения энергопотребления

Замена регулирования подачи задвижкой на регулирование частотным преобразователем
10 — 60%

Снижение частоты вращения
5 — 40%

Каскадное регулирование при помощи параллельной установки насосов
10 — 30%

Подрезка рабочего колеса, замена рабочего колеса
10 — 20%

Замена электродвигателей на более эффективные
1 — 3%

Замена насосов на более эффективные
1 — 2%

Необходимообратить внимание на то, что снижение энергопотребления за счет замены насосовна аналогичные может принести максимум 2% экономии. Основной потенциал поэнергосбережению заключается в замене регулирования подачи насоса задвижкой начастотное или каскадное регулирование, т.е. применении систем способныхадаптировать параметры насоса под требования системы.

При принятии решенияо применении того или иного способа регулирования необходимо учитывать, чтокаждый из этих способов регулирования также следует применять, отталкиваясь отпараметров сети, на которую работает насос, в частности, доля статической идинамической составляющих.
Как видно изпервого графика на рис.1 при работе насоса на сеть с преимущественнойстатической составляющей снижение частоты вращения насоса до 83% от номиналаприводит к снижению к.п.д. с 60 до 35% и выходу рабочей точки за пределырабочего диапазона. Поэтому при работе насоса на сеть с преимущественнойстатической составляющей применение частотного привода нерационально и требуетболее тщательного анализа.

Рис.1.Работа насоса с частотным регулированием на сеть с преимущественной статическойсоставляющей.

Рис.2.Работа насоса с частотным регулированием на сеть с преимущественными потерямина трение.

С другойстороны, работа того же насоса при различных частотах вращения на сеть спреимущественными потерями на трение рис.2, приводит к тому, что рабочая точкасмещается вдоль линии максимального к.п.д., и насос работает в оптимальномрежиме на всех частотах. Поэтому применение частотного привода насосов всистемах с преимущественными потерями на трение является наиболее рациональными приводит к значительному сокращению энергопотребления.

Как видно изграфиков на рис.3, при каскадном регулировании режима работы насосной станциипри помощи включения и выключения необходимого количества насосов установленныхпараллельно при работе сеть с преимущественно статической составляющейсуммарная подача увеличивается примерно на одно и тоже значение.

Рис.4.Каскадное регулирование режима работы насосной станции при работе на сеть спреимущественно динамической составляющей.

При работетой же насосной станции на сеть с преимущественными потерями на трение, рис. 4., подключениекаждого последующего насоса приводит к непропорциональному увеличению суммарнойподачи. Причем, подключение каждого последующего насоса увеличивает подачу наменьшее значение.

В связи сэтим, применение каскадного регулирования приносит эффект в системах спреимущественной статической составляющей, а применение частотного приводарекомендуется для систем с преимущественными потерями на трение.
Выводы.

В настоящеевремя существует миф о том, что экономия электроэнергии при заменеотечественных насосов на импортные может составить 20-30%. Материалы, изложенныев статье, показывают, что энергоэффективная эксплуатация насосов достигается,главным образом, за счет согласованной работы на сеть.

Параметрынасосов производства ОАО «Группа «ГМС» по к.п.д., потребляемой мощности неуступают, а иногда и превосходят насосы импортного производства. При сравнениипотребляемой мощности аналогичных насосов разных производителей необходимообращать внимание на равенство параметров подачи и напора, на которые подбирается насос.

Значительноесокращение энергопотребления насосных станций может быть достигнуто прииспользовании отечественного насосного оборудования, но при значительно меньшихзатратах.

Для производства энергии требуется энергия!

Установки ЭЦН обеспечивают стабильную добычу в широком диапазоне подач и скважинных условий. Когда скважинная установка работает 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, эксплуатационные расходы за счет значительного потребления электроэнергии могут быть значительными. Затраты на электроэнергию снижают прибыль, особенно для компаний, которые владеют фондом скважин с сотнями ЭЦН или труднодоступными удаленными и автономными месторождениями и вынуждены тратиться на регулярные поездки для дозаправки электрогенераторов.

До 61% энергии, потребляемой серийной установкой ЭЦН, теряется на нагрев жидкости и оборудования. Только 39% мощности используется  непосредственно для добычи углеводородов. Это характерно для всей отрасли, в случае применения серийных УЭЦН, в которых используется трехфазный маслонаполненный погружной электродвигатель и центробежный насос. Только в насосе теряется 29% всей электроэнергии, в то время как двигатель теряет в среднем 13%.

Рентабельность покупки

Показатель экономии расходов может изменяться в зависимости от используемой системы и зависит от ее сложности и размера. Рентабельность покупки может колебаться от года до пяти лет. Как вы понимаете, существует слишком много переменных, чтобы рассчитать точную «ориентировочную» рентабельность приобретения насоса. Для каждого она будет своя. Однако следует учитывать, что насосы Grundfos Alpha имеют 5-ти летнюю гарантию.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2A2.72 дюйма69 мм20-200 м3/сут3500 м44-57%

33.19 дюйма81 мм25-500 м3/сут3500 м40-70%

53.62 дюйма92 мм10-600 м3/сут3500 м46-66%

5A4.06 дюйма103 мм100-800 м3/сут3500 м67-71%

7A5.35 дюйма136 мм300-2400 м3/сут3000 м67-76%

86.77 дюйма172 мм1600-3000 м3/сут2500 м74-76%

Для каких целей разумнее всего использовать «умный» насос

Насосы с регулируемым числом оборотов, обладающие функцией интеллектуального управления, можно использовать в любой системе как с изменяемыми, так и не изменяемыми внешними условиями. В любой системе, которая должна приспособиться или адаптироваться к динамичным внешним условиям, можно использовать такие насосы. Они идеальны для систем с большим количеством зон и несколькими вариантами доставки теплоносителя (радиаторы, теплые полы и так далее).

ПОКРЫТИЯ НКТ

Многие скважинные насосные системы забиваются отложениями солей, парафинов и т.д. Естественно, это приводит к тому, что уменьшается возможность прокачки потока жидкости, увеличиваются гидравлические потери, снижается общий КПД. Есть много разных возможностей по изменению этого положения вещей. Один из интересных вариантов — внутреннее силикатное эмалевое покрытие НКТ.

Покрытие этого типа очень хорошо сопротивляется ударам, достаточно просто наносится. При экономичной модели производства и ценовой политике экономическая и энергетическая составляющая использования НКТ с силикатным покрытием не вызывает никаких сомнений.

Каковы преимущества использования энергоэффективного насоса с переменной скоростью по сравнению с насосом с фиксированной скоростью?

Преимущество, о котором больше всего говорят и пишут ― это снижение энергопотребления. Убедительное подтверждение этому можно получить, оплачивая более низкие суммы по счетам.

И все же, самым большим, или лучше сказать, самым лучшим преимуществом использования высокомощных насосов с переменной скоростью и циркуляционных насосов является комфорт. В тандеме с интеллектуальным управлением, эти насосы способны обеспечивать поддержание максимально точно именно такого уровня потока, который полностью соответствует требованиям системы, а так же необходимость подогрева или охлаждения.

Насосы с фиксированной скоростью, как это ясно из названия, постоянно работают с одной и той же скоростью. Именно поэтому, принцип работы такого насоса сходен с принципом работы принудительной воздушной системы, если, конечно, отсутствуют управление температурой среды иным способом. Пользователи могут почувствовать колебания температуры во время работы системы. Насосы с переменной скоростью, которые эксплуатируются правильно, способны сгладить эти циклы и обеспечить комфортные ощущения от их использования в непрерывном режиме.

ЦЕПНЫЕ ПРИВОДЫ

ДСНУ положили начало новому классу безбалансирных приводов с редуцирующим преобразующим механизмом (РПМ) с гибкими звеньями. В качестве замкнутых гибких звеньев применяются приводные роликовые цепи, в связи с чем этот тип приводов и получил название «цепные приводы» ). Главная особенность этого типа привода в том, что схема РПМ позволяет увеличить длину хода цепного привода без резкого увеличения его металлоемкости. При этом обеспечивается очень длинный ход штока при постоянной скорости, а значит, очень хороший коэффициент наполнения штангового насоса и увеличение коэффициента подачи (см. «Сравнение скорости движения штанг при использовании разных видах приводов»). Следовательно, увеличивается КПД установки в целом. Можноговорить еще и о том, что такая система повышает эффективность за счет транспортабельности и в основном за счет заводской готовности для эксплуатации.

Замеры с помощью узлов коммерческого учета электроэнергии показали на 33% более высокую энергоэффективность цепных приводов по сравнению со станками-качалками и на 50% более низкое энергопотребление при дебитах до 80 м3/сут. в сравнении с УЭЦН.

Срок службы и техническое обслуживание

Как правило, энергоэффективные насосы, равно как и циркуляционные насосы, оснащенные синхронными двигателями с постоянными магнитами, имеют более длительный срок службы, нежели насосы с асинхронными двигателями. Дело в том, что благодаря продуманной конструкции мотора, потери энергии у них намного меньше, а большинство производителей постоянно работают в направлении повышения качества деталей насосов с целью увеличения их надежности в эксплуатации и износоустойчивости. Условия технического обслуживания различны и зависят от производителя и марки изделия.

Говоря о Grundfos и, в частности, об энергоэффективных циркуляционных насосах для воды и отопления, необходимо признать, что они практически не требуют технического обслуживания.

В последнее время можно услышать мнения людей, выражающих беспокойство в отношении таких энергосберегающих насосов и их синхронных моторов. Они связывают свои опасения с использованием в моторах мощных магнитов, для производства который используется оксид железа или магнитный железняк, благодаря которым накапливается черный шлам (осадок) в водной системе отопления.

И снова возвращаясь к Grundfos, следует сказать, что общее техническое устройство циркуляционных насосов для воды и отопления гарантирует превосходную устойчивость к появлению такого рода примесей, как черный шлам. Использование стойких материалов и покрытий наряду с точным расчетом прохождения потока, позволяют минимизировать появление примесей в системе.

ШТАНГОВЫЕ УСТАНОВКИ

Я считаю, что в ближайшее время СШНУ снова станут очень востребованными. В «Татнефти» принята большая программа по замене установок центробежных насосов с дебитами до 80-125 м3 в сутки на штанговые насосные установки. В компании посчитали, что так будет эффективнее с точки зрения энергетики и намного эффективнее с точки зрения затрат на подземный ремонт и всех остальных видов затрат. Видимо, в некоторых случаях нужно будет и в Западной Сибири возвращаться к эксплуатации скважин штанговыми насосами. Там, где это будет давать технико-экономический эффект.

Основные направления совершенствования СШНУ следующие:

ДЛИННОХОДОВЫВЕ УСТАНОВКИ

Еще одна разработка — так называемые длинноходовые скважинные насосные установки (ДСНУ), или приводы штанговых насосов. Колонна штанг перемещается с помощью каната, троса или ленты, ремня или цепи, намотанных на барабан, реверсивно вращаемый электродвигателем через редуктор или с приводом от гидромотора. В своей нише они дают очень высокий технико-экономический и энергетический эффект.

Длинноходовые насосные установки

Различают низкопрофильные (шурфовые, не применимые в наших климатических условиях) и башенные (мачтовые) ДСНУ. Мачтовые ДСНУ отличаются длиной хода до 10 и более метров (см. «Длинноходовые насосные установки»).

Длина хода полированного штока составляет до 10 метров, система полностью уравновешена, контргрузы определяются по известным методикам, и мощность двигателя в этом случае примерно в 1,5 раза меньше, чем мощность ПЭД УЭЦН под те же самые параметры работы, особенно при дебитах до 150 м3/сутки.

Длинноходовые насосные установки могут использоваться также и для проведения подземного ремонта. Вместо подвески полированного штока подвешивается крюк, на который подвешивается штанговый элеватор, при помощи которого штанговый вставной насос поднимается без необходимости работы агрегата подземного ремонта.

Перспективны ДСНУ и для применения в метановых скважинах: высокий КПД, возможность широкого регулирования подачи, возможность работы с высоко газированными жидкостями (до 50%), возможность сокращения затрат на дополнительное оборудование (для проведения ПРС). Высокий КПД достигается за счет постоянной скорости перемещения на большей части хода плунжера, а также за счет того, что уменьшается относительный объем мертвого пространства. В свое время в Оренбурге достаточно широко применялась система длинноходовой глубиннонасосной установки, в которой приводом служил барабан, а насосная часть представляла собой сваб, который ходил по насосно-компрессорным трубам (см. «Длинноходовая глубиннонасосная установка»). Длина подъема подъема сваба могла составлять от 50 до 300 метров. Напор таких систем мог быть достаточно большим при небольших дебитах. И наоборот, можно было использовать установку для очень высокого дебита даже при достаточно больших значениях динамического уровня — 1000-1200 метров.

Насосы этого типа могут целенаправленно использоваться для откачки высоковязких жидкостей и газожидкостных смесей, но часто оказываются неэкономичными по энергетическим характеристикам.

Сравнение скорости движения штанг при использовании разных видов приводов

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ

Распределение расхода энергии на подъем жидкости, поддержание пластового давления (ППД), промысловый транспорт нефти и газа и их подготовку существенно разнится в зависимости от региона и свойств разрабатываемых пластов. Но самым главным потребителем электроэнергии в подавляющем большинстве случаев оказываются скважинные насосные установки.

К сожалению, только на трети скважин УЭЦН работают в пределах рабочей части номинальной характеристики (см. «Режимы эксплуатации УЭЦН»). В значительной части случаев установки эксплуатируются за пределами левой границы рабочей характеристики, некоторое количество — в правой части. Левая зона отличается низким КПД, тогда как усилия на рабочих колесах, направляющих аппаратах, в системах осевых подшипников достаточно велики, а количество жидкости, которое отводит тепло от этих элементов, достаточно мало. Именно поэтому работа большого количества установок в левой зоне приводит к тому, что износ подшипниковых узлов резко возрастает, равно как и затраты на подъем жидкости в связи с низким КПД ибольшими температурами. Повышение температуры приводит не только к снижению наработки на отказ, но и очень сильно влияет на энергопотребление оборудования.

Сегодня нередко приходится слышать, как некоторые фирмы-изготовители оборудования заявляют о создании новых энергоэффективных ЭЦН, указывая на их существенно меньшую номинальную мощность при одинаковых напорных характеристиках со стандартным оборудованием. Однако на практике может оказаться, что все энергетические преимущества оказываются вне рабочей части характеристики (см. «Характеристики ступеней и УЭЦН различных типоразмеров»).

Поэтому сформулированные таким образом энергетические преимущества не только не полезны, но даже вредны, поскольку могут ввести в заблуждение. Сделать вывод о том, в каком режиме работает оборудование, можно только с учетом того, что мы, кроме тока, будем измерять еще очень большое количество разных параметров работы оборудования.